核物理基础知识.pptx

同位素同位素 质子数相同而中子数不同的一类核素的互称质子数相同而中子数不同的一类核素的互称。名称名称质子数质子数中子数中子数质量数质量数举例举例同位素同位素相同相同不同不同不同不同1 1H H 2 2H H 3 3H H同中素同中素不同不同相同相同不同不同2 2H H 3 3HeHe同量素同量素不同不同不同不同相同相同3 3H H 3 3HeHe 核辐射的基本性质核辐射的基本性质1.0086651.008665 0 0 n n中中 子子1.0072761.007276+1+1 p p质质 子子 0 0 0 0 5.486105.48610-4-4 1 1 e e 4.002794.00279+2+2 4 4He He 质质 量量 (u)(u)电荷电荷（e)e)符号符号种类种类 核衰变核衰变 衰变衰变 原子核自发地放出原子核自发地放出粒子而发生的转变。粒子而发生的转变。范围：范围：A140A140，T T49 MeV49 MeV，T T1/21/21010-7-7ss10101515y y 过程：过程：能谱能谱衰变衰变 原子核自发地放出原子核自发地放出粒子粒子(e(e+，e e-)或俘获一或俘获一个轨道电子而发生的转变。个轨道电子而发生的转变。范围：范围：全周期表，全周期表，T T1/21/21010-7-7s10s101818y y，几，几MeVMeV过程：过程：-：|反中微子反中微子 +：EC EC：正电子发射断层扫描E EC C的伴随过程的伴随过程o特征特征X射线射线：莫塞莫塞莱莱关系：关系：o欧歇电子欧歇电子图.质子诱导激发X荧光分析的周期表72种元素。样品可以是固态、液态火薄膜。谱特点谱特点 连续分布连续分布 ，对某种核素是确对某种核素是确定的。定的。说明说明：三个未知量仅二个约束方程，因而是可变的。三个未知量仅二个约束方程，因而是可变的。r r跃迁跃迁 处于激发态的核向较低能态或基态退激时放处于激发态的核向较低能态或基态退激时放出出r r射线的过程射线的过程.o射线性质射线性质 波长较短波长较短 (0.1)0.1)的电磁波。的电磁波。o并行过程并行过程 内转换，激发能交给壳层电子，使内转换，激发能交给壳层电子，使其发出。其发出。核衰变核反应E=h ,=c/电磁辐射谱电磁辐射谱 1.21.2质能联系定理质能联系定理o爱因斯坦公式爱因斯坦公式 质量与能量是物质同一属性的两个表象质量与能量是物质同一属性的两个表象,具具有质量为有质量为m m的物体的物体,便具有由爱因斯坦公式确定便具有由爱因斯坦公式确定的能量：的能量：E=mcE=mc2 2 式中，式中，m m为物体的运动质量，为物体的运动质量，m m0 0为物体的静止质为物体的静止质量。量。质能变化联系质能变化联系 对对爱因斯坦公式两边差分有：爱因斯坦公式两边差分有：更具体可写为更具体可写为:其中其中 是体系的广义质量亏损，是体系的广义质量亏损，和和 是体系变化前后的动能。是体系变化前后的动能。能量单位电子伏-一个电子在真空中通过1V电位差所获得的能量。一个电子的静止能量一个原子质量单位对应的能量 应用举例应用举例1.3 1.3 核衰变的一般规律核衰变的一般规律推证推证 由由 积分定解，有积分定解，有 N=N0e-t放射性衰变的基本规律放射性衰变的基本规律1 1 指数衰减规律 N=N0e-t N0:（t=0）时放射性原子 核的数目N:经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快。放射性活度放射性活度o活度活度 单位时间发生衰变或跃迁的原子核个数。单位时间发生衰变或跃迁的原子核个数。o定义定义:o单位单位 国际：贝可勒尔国际：贝可勒尔(Bq),1Bq(Bq),1Bq1 1次衰变次衰变/秒秒 专用专用:居里居里(Ci)(Ci)，1Ci1Ci3.7103.7101010BqBq 导出：导出：1Ci1Ci10103 3mCimCi10106 6CiCi 有关常数有关常数q衰变常数衰变常数q半衰期半衰期 核数目减少一半时所用时间核数目减少一半时所用时间 按定义按定义:,所以所以 质量与活度的关系质量与活度的关系 式中：式中：ff核素丰度，一种核素在其所属的同位核素丰度，一种核素在其所属的同位素中所占的原子百分数；素中所占的原子百分数；MM核素的摩尔原子量；核素的摩尔原子量；N NA A阿伏加德罗常数。阿伏加德罗常数。o比活度比活度1.4 1.4 电离辐射与物质的相互作用电离辐射与物质的相互作用辐射辐射 o非电离非电离 能量低能量低,不能使物质电离，如红外、微不能使物质电离，如红外、微波等。波等。o电离电离 能直接或间接使物质电离，如能直接或间接使物质电离，如、等等带电粒子和中子、带电粒子和中子、光子等非带电粒子。光子等非带电粒子。带电粒子与物质的作用带电粒子与物质的作用1.1.电离和激发电离和激发 电离电离 入射粒子入射粒子 核外电子核外电子 激发激发 电离电离 原电离原电离 由入射粒子直接产生的。由入射粒子直接产生的。次级电离次级电离 由原电离产生的由原电离产生的电子电子(100eV100eV）进一步产生的。进一步产生的。电离作用电离作用库仑作用库仑作用+e-物质中原子被电离，在粒子物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子对：正离子和自由电子 自由电子自由电子+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+靶原子靶原子 正离子正离子+电子电子+4He +Ar Ar+e-+4He比电离比电离带电粒子在单位长度径迹上产生的离子对数。带电粒子在单位长度径迹上产生的离子对数。式中：式中：电离能量损失率电离能量损失率;-平均电离能；平均电离能；v v，z z粒子的速度和电荷数；粒子的速度和电荷数；N N，Z Z介质的原子数密度和原子序数。介质的原子数密度和原子序数。不同射线电离密度示意图不同射线电离密度示意图线线 X线线 线线线线细胞或生物大分子细胞或生物大分子2.2.散射散射 受原子核的库仑场或原子的极化场作用，粒受原子核的库仑场或原子的极化场作用，粒子运动方向发生改变的现象子运动方向发生改变的现象。brZ1ermvZ2e粒子的散射轨道 散射现象散射现象粒子径迹基本是一条直线粒子径迹基本是一条直线 电子径迹是折线电子径迹是折线 3.3.轫致辐射轫致辐射 在原子核的库仑场作用下，带电粒子做加速运在原子核的库仑场作用下，带电粒子做加速运动时部分能量以连续电磁辐射形式放出的过程。动时部分能量以连续电磁辐射形式放出的过程。能量损失率能量损失率式中：式中：m m、z z和和EE入射粒子的质量，电荷数及能量；入射粒子的质量，电荷数及能量；N N、ZZ介质原子数密度及原子序数。介质原子数密度及原子序数。讨论讨论1)1)在同一介质，有：在同一介质，有：2)2)在高原子序介质中易产生轫致辐射。在高原子序介质中易产生轫致辐射。3)3)与电离损失正好相反，高能时，粒子的与电离损失正好相反，高能时，粒子的辐射损失上升。辐射损失上升。讨论讨论 对粒子，有:式中，E-MeV，对于铅，Z=82，仅当E=10Me时,轫致辐射损失才与电离损失相同。4.4.切伦科夫辐射切伦科夫辐射 带电粒子在透明介质以微弱可见光的形式辐射能带电粒子在透明介质以微弱可见光的形式辐射能量的过程。量的过程。发生条件发生条件 i)i)均速均速 ，ii)vii)vccc/nc/n。物理过程物理过程 辐射由极化偶极子退激化产生的辐射相干辐射由极化偶极子退激化产生的辐射相干迭加而成。迭加而成。在水中在水中(n=1.33),(n=1.33),minmin=1/n=0.75,能发生切伦科切伦科夫辐射的夫辐射的 射线射线最小能量为最小能量为:切伦科夫辐射切伦科夫辐射5.射程与吸收o核子的射程核子的射程 在介质中沿运动方向所穿过的距离。在标准空气的平均射程在介质中沿运动方向所穿过的距离。在标准空气的平均射程:,误差10%在其它介质：在其它介质：式中：式中：AA介质原子的质量数介质原子的质量数;密度密度(gcm(gcm-3-3).).对于混合物：对于混合物：式中：式中：W Wi i为第为第i i种元素原子重量含量百分数。种元素原子重量含量百分数。o粒子的最大射程粒子的最大射程 在介质中沿其入射方向所能达到的最大距离。对于在介质中沿其入射方向所能达到的最大距离。对于铝有：铝有：质量厚度射程质量厚度射程RmaxRmax与与 线性射程的关系线性射程的关系：RmaxRmax射线与物质的作用射线与物质的作用o光电效应光电效应 光子从原子中打出电子，本身消失的过程。光子从原子中打出电子，本身消失的过程。光电子的动能：光电效应光电效应 作用机制作用机制 光子同光子同(整个整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子作用把自己的全部能量传递给原子壳层中某一电子，该电子获得动能克服原子束缚原子壳层中某一电子，该电子获得动能克服原子束缚跑出来跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。成为自由电子，光子本身消失了。+A A*+e-（光电子）（光电子）A +X 射线射线原子原子自由电子自由电子受激原子受激原子o康普顿效应康普顿效应 光子被散射的效应。讨论：1)2)所以，Te0(Te)max。康普顿电子谱o电子对效应电子对效应 在核的库仑场作用下，在核的库仑场作用下，光子转化为正负电子对的光子转化为正负电子对的过程。过程。因为因为 所以所以 才能发生。才能发生。光子与物质三种主要相互作用的相对重要性光子与物质三种主要相互作用的相对重要性射线对物质的电离作用两步过程射线对物质的电离作用两步过程三种作用效应三种作用效应o 光电效应光电效应o 康普顿效应康普顿效应o 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离第第 2 2 步步次级作用次级作用第第 1 1 步步初级作用初级作用射线射线射线的吸收射线的吸收o射线通过一定厚度介质，射线通过一定厚度介质，强度减弱的现象强度减弱的现象。o指数衰减规律指数衰减规律 I(x)=I0 e-x 线性吸收系线性吸收系1）射线能量高射线能量高 值小值小2）原子序数高原子序数高 值大值大能量能量（MeV)铅铅（Pb)cm-1 铝铝（Al）cm-1 0.6 0.6 1.6 1.6 0.2 0.2 1.0 1.0 0.8 0.8 0.18 0.18 2.0 2.0 0.5 0.5 0.1 0.1半吸收厚度半吸收厚度(d1/2)射线强度减弱射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度所通过物质层的厚度 射线的防护大都选射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，构用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。成很厚的防护墙。物质层厚度物质层厚度I/I0半吸收厚度半吸收厚度 单位单位cm对物质电离作用的比较对物质电离作用的比较2 MeV 射程射程(m)(m)离子对密度离子对密度/mm/mm 0.01 6000 0.01 6000 2-3 60 2-3 60 10 10 几个几个